高校學(xué)生公寓自動(dòng)節(jié)水控制裝置

孫志揚(yáng)　何慶　柴華偉　徐國(guó)祥　陳月亮

摘 要：本裝置通過(guò)管道連接頂層與各樓層的用水單元，輔以微電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢水與雨水收集、存儲(chǔ)，再用于樓層衛(wèi)生間等需大量用水的場(chǎng)合，從而實(shí)現(xiàn)廢水再利用及節(jié)水的目標(biāo)。裝置使用管道將廢水（或雨水）按樓層高低自上往下逐層傳遞，達(dá)到對(duì)廢水（或雨水）資源的最大化利用；使用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)管道通與斷的自動(dòng)化管理，通過(guò)傳感器信號(hào)的檢測(cè)與傳遞讓管道上的電磁閥在需要時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，對(duì)衛(wèi)生間進(jìn)行供水或補(bǔ)水操作。

關(guān)鍵詞：廢水利用；管道；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2017）02-0024-04

水是生命之源，在全國(guó)約670個(gè)城市中，一半以上存在著不同程度的缺水現(xiàn)象。在大學(xué)校園中，每天都有大量的用水需求，不少水資源被使用后白白的流掉，造成了用水浪費(fèi)。

南方多降雨，高校校園面積較大，如果能夠?qū)⒂晁人Y源集中起來(lái)，處理后將其再使用（如用于沖刷衛(wèi)生間等），就能實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的目的。在國(guó)外已經(jīng)有不少地區(qū)開(kāi)始進(jìn)行廢水回收與再利用，而在我國(guó)一些大城市也已經(jīng)開(kāi)始嘗試。

因此，從廢水（或雨水）收集、再利用兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，高校學(xué)生公寓自動(dòng)節(jié)水控制裝置將能夠較好彌補(bǔ)水源利用方面存在的缺陷。

1 廢水再利用裝置簡(jiǎn)介

本裝置由管道系統(tǒng)與電子設(shè)備組成。[1-2]管道系統(tǒng)由廢水（雨水）收集管道、溢水管道、自來(lái)水補(bǔ)水管道、用水管道、儲(chǔ)水箱組成，廢水或雨水通過(guò)廢水（雨水）收集管道，經(jīng)過(guò)濾裝置流到儲(chǔ)水箱，用水管道在儲(chǔ)水箱底部，在需要時(shí)儲(chǔ)水箱中的水可以供給相應(yīng)的用水單元使用；如果水量不足，可以通過(guò)自來(lái)水補(bǔ)水管道實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。溢水管道在水箱上部，如果雨水水量過(guò)大，可以通過(guò)溢水管道外流。電子設(shè)備由單片機(jī)，傳感器，電磁閥組成。在儲(chǔ)水箱中安有液位傳感器，用來(lái)檢測(cè)水箱中水位，判斷是否需要補(bǔ)水；在用水單元上裝有傳感器用來(lái)檢測(cè)是否有人正在使用衛(wèi)生間，通過(guò)單片機(jī)控制對(duì)應(yīng)的電磁閥通與斷，從而判斷是否需要用水。[3]

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及裝置功能

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）補(bǔ)水方式多樣化。對(duì)儲(chǔ)水箱補(bǔ)水，本設(shè)計(jì)采用的補(bǔ)水方式是依靠廢水來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水功能；此外還有雨水補(bǔ)水、自來(lái)水補(bǔ)水等多種方式，保證在節(jié)約用水的同時(shí)不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)水箱的水量不足而出現(xiàn)斷水的情況。

（2）功能控制自動(dòng)化。通過(guò)單片機(jī)、傳感器等，當(dāng)傳感器采集到水量不滿的信號(hào)時(shí)，則會(huì)自動(dòng)補(bǔ)水；采集到有人在使用衛(wèi)生的信號(hào)時(shí)，則會(huì)自動(dòng)供水。

（3）機(jī)電一體化。高校學(xué)生公寓自動(dòng)節(jié)水控制裝置通過(guò)使用單片機(jī)與傳感器等來(lái)達(dá)到用水信息或信號(hào)時(shí)，控制自來(lái)水補(bǔ)水管道與用水管道的通與斷，實(shí)現(xiàn)管道與電子信號(hào)的有機(jī)控制。

2.2 裝置功能

（1）水源收集功能。在裝置過(guò)程之中，可以通過(guò)廢水收集管道，雨水收集管道對(duì)生活中易被忽略的水資源進(jìn)行收集。

（2）自動(dòng)補(bǔ)水功能。為了防止廢水（或雨水）儲(chǔ)水總量不夠，在裝置中安置了傳感器與自來(lái)水補(bǔ)水管道，當(dāng)在需要用水時(shí)檢測(cè)到儲(chǔ)水箱中水量不足時(shí)，將會(huì)打開(kāi)自來(lái)水補(bǔ)水管道的電磁閥進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水。

（3）自動(dòng)放水功能。為了方便用水場(chǎng)合的管理，提升清潔度，本裝置中安裝了紅外傳感器與電磁閥，當(dāng)檢測(cè)到有人使用完衛(wèi)生間需要放水沖刷時(shí)，電磁閥將會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，自動(dòng)放水。

3 裝置系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 收集裝置

在樓層的偏上部，設(shè)管道將雨水、盥洗室廢水等直接通入裝置頂部，如圖1中的通道2， 通道3。將該裝置安置在樓層室內(nèi)，通過(guò)建立多條管道，引導(dǎo)廢水從原本的地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到此裝置之中，此外，對(duì)自然降水也進(jìn)行收集，如果水流過(guò)大，那么將多余的水通過(guò)其他渠道進(jìn)行排出到下一個(gè)樓層的裝置之中，如圖1之中的通道8。在匯集于裝置之后，已收集水源通過(guò)安裝在裝置下方的管道通路將水流到需要使用這些水源的地方。

3.2 過(guò)濾裝置

在如圖1中所示的管道中，裝入過(guò)濾裝置1，從而對(duì)管道之內(nèi)的污漬進(jìn)行排除過(guò)濾，確保廢水之中沒(méi)有大塊的雜質(zhì)，提高廢水的使用范圍；同時(shí)，也可以防止污漬造成水管的堵塞，產(chǎn)生不必要的麻煩。本設(shè)計(jì)將過(guò)濾裝置安裝于2、3號(hào)通道的底部，從而對(duì)通過(guò)2、3號(hào)通道流入本裝置的廢水進(jìn)行有效的過(guò)濾。

3.3 廢水分配裝置

若有大量的廢水（或雨水）進(jìn)入本裝置內(nèi)，當(dāng)廢水（或雨水）溢出，可直接通過(guò)溢出管道8流入下樓層裝置內(nèi)，依次直至最下一層。當(dāng)最下層水箱滿時(shí)，則通過(guò)溢出口自動(dòng)排入下水道。當(dāng)下雨天雨量過(guò)大導(dǎo)致頂層雨水收集管道3無(wú)法及時(shí)排水時(shí)，可以通過(guò)安裝在樓層室外的通道13將多余的雨水向外排出，如圖2所示。此裝置內(nèi)部有連接的自來(lái)水管道5，當(dāng)裝置內(nèi)的水位下降到一定程度，通過(guò)液位傳感器，觸發(fā)單片機(jī)控制電磁閥7使自來(lái)水自動(dòng)通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入該裝置進(jìn)行補(bǔ)水，直到傳感器發(fā)出信號(hào)則會(huì)自動(dòng)停止補(bǔ)水。集水箱內(nèi)的水若需要使用，可以打開(kāi)集水箱下部的電磁閥9，通過(guò)管道10使水流到相應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行使用。

4 自動(dòng)控制方案

該裝置通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程控制。在本裝置中使用AT89S51單片機(jī)，由于其內(nèi)部容量對(duì)本項(xiàng)目可以足夠，因此不需要再添加擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。

該類型單片機(jī)共有40個(gè)引腳，其中的標(biāo)號(hào)為P1、P2、P3、P4口各由8個(gè)引腳組成，本裝置選用P1口中的P1^0 引腳、P1^1引腳、 P1^2引腳、 P1^3引腳（單片機(jī)芯片缺口向上左側(cè)從上至下第1～4號(hào)針腳）進(jìn)行編程使用。通過(guò)單片機(jī)的P1^0引腳、P1^1引腳作為輸入端，檢測(cè)各傳感器傳輸?shù)男盘?hào)；使用單片機(jī)的P1^2引腳、P1^3引腳作為輸出端配合中間繼電器控制各電磁閥進(jìn)行工作，單片機(jī)的連接方式如圖3所示。

單片機(jī)所用電源接5V直流電源。單片機(jī)時(shí)鐘電路引腳XTAL1與XTAL2與頻率為11.0592MHz的晶振連接提供脈沖信號(hào)，紅外傳感器信號(hào)線通過(guò)三極管放大信號(hào)之后接于P1^0 引腳，液位傳感器信號(hào)端接于P1^1引腳，P1^2引腳、P1^3引腳經(jīng)電阻后與三極管與中間繼電器相連，中間繼電器的得失電控制電磁閥通斷。

在程序編程過(guò)程之中，主要使用while語(yǔ)句結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測(cè)，通過(guò)程序while（P1^0==1）判斷是否有人在使用樓層衛(wèi)生間、程序while（P1^2==1）判斷儲(chǔ)水箱是否滿水。當(dāng)P1^0==1，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)排除誤碰傳感器等情況之后，若仍然為P1^0==1，則判斷為有人在使用樓層衛(wèi)生間，程序進(jìn)入水箱水位檢測(cè)環(huán)節(jié)之后開(kāi)始等待，當(dāng)變?yōu)镻1^0==0，即電壓出現(xiàn)下降則表明有人在使用衛(wèi)生間，那么輸出P1^3=1：當(dāng)P1^3口處于高電平時(shí)，繼電器KA2驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)行用水沖洗工作，當(dāng)P1^2==1即水箱水不滿時(shí)，則控制相應(yīng)輸出P1^2=1：當(dāng) P1^2口處于高電平，繼電器KA1得電驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)行自來(lái)水對(duì)水箱的補(bǔ)水工作；當(dāng)P1^2==0即水箱已經(jīng)滿水，則控制相應(yīng)輸出P1^2=1使繼電器KA1失電，驅(qū)動(dòng)電磁閥閉合斷水，單個(gè)周期控制順序如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

高校學(xué)生公寓自動(dòng)節(jié)水控制裝置采用了管道與控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，通過(guò)機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)廢水（或雨水）的過(guò)濾、收集、再分配給各樓層用水單元再利用；通過(guò)電子控制裝置，經(jīng)電磁閥的通與斷來(lái)實(shí)現(xiàn)水箱的自動(dòng)補(bǔ)水功能，自動(dòng)為用水場(chǎng)合提供再生水源等功能，從而達(dá)到了對(duì)廢水（或雨水）進(jìn)行自動(dòng)分配及再使用的目的。通過(guò)此裝置，可有效緩解高校學(xué)生公寓中水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，并能提升高校衛(wèi)生間等用水場(chǎng)合的清潔度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張迎新，王盛軍，何立民，等.單片機(jī)初級(jí)教程——單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2] 李廣弟，朱月秀，冷祖祁.單片機(jī)基礎(chǔ) [M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3] 李亞峰，班福忱，蔣白懿.高層建筑給水排水工程 [M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

Automatic Water Saving Control Device for University Student Apartment

SUN Zhi-yang，HE Qing，CHAI Hua-wei，XU Guo-xiang，CHEN Yue-liang

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou， 213001，China）

Abstract： The device is connected with the top and water unit of each floor through the pipeline， with microelectronics technology， the wastewater and rainwater are implemented to collection， storage， and require a lot of water for toilet floor occasions， in order to achieve the wastewater reuse and water saving target. The wastewater （or rainwater） is transferred according to floor level from the top down layer by layer by the pipeline， to maximize use of resources. It is realized that the use of single-chip microcomputer to control the pipeline connection and disconnection， that is automation management. Through the detection of sensor signals the electromagnetic valves on the pipeline are opened automatically when needed. Water is supplied or made up to the toilet

Key words： waste water utilization； pipeline； single chip microcomputer

責(zé)任編輯 祁秀春